Закон Фарадея. Правило Ленца.

 

Английский физик М.Фарадей в 1831 году опытным путем открыл явление электромагнитной индукции.

Первый опыт Фарадея (рисунок 24а). Если в соленоид вдвигать и выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания и выдвигания

 

	Рисунок 24. Опыты Фарадея

 

наблюдается отклонение стрелки гальванометра, то есть возникает индукционный ток. Направления токов при вдвигании и выдвигании магнита противоположны. Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки.

Второй опыт Фарадея (рисунок 24б). В соленоид вставлялась катушка, через которую протекал ток. Отклонения стрелки гальванометра наблюдались в моменты включения и выключения тока, в моменты увеличения или уменьшения тока и при перемещении катушек относительно друг друга.

Третий опыт Фарадея (рисунок 25). Соленоиды не двигались относительно друг друга. Во внутренний соленоид подавался переменный ток. Лампочка, включенная в обмотку внешнего соленоида, светилась.

		Рисунок 25. Третий опыт Фарадея

 

 

На основании опытов Фарадей пришел к выводу, что:

1. в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает ЭДС и электрический ток.

2. Значение индукционного тока совершенно не зависит от способа изменения потока магнитной индукции, а определяется лишь скоростью его изменения.

3. ЭДС электромагнитной индукции определяется лишь скоростью изменения магнитного потока, сцепленного с контуром: . Знак (-) показывает, что увеличение потока ( > 0) вызывает ЭДС < 0 и наоборот, т.е. магнитное поле индукционного тока направлено навстречу потоку.

Закон Фарадея можно сформулировать следующим образом:

ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную эти контуром.

Если магнитный поток пронизывает контур, состоящий из витков, то , где - потокосцепление.

Правило Ленца: индукционный ток в контуре направлен всегда так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшему этот индукционный ток.

Возникновение ЭДС индукции при движении контура объясняется действием силы Лоренца, возникающей при движении проводника. При перемещении прямого проводника длиной со скоростью в магнитном поле с индукцией на проводнике наводится ЭДС индукции: , где - угол между векторами и .

Вращение рамки в магнитном поле

Явление электромагнитной индукции применяется в индукционных генераторах для преобразования механической энергии в электрическую энергию. Для получения электрической энергии рамка вращается в однородном магнитном поле ( = const) равномерно с угловой скоростью w = const (рисунок 26). Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S в любой момент времени t равен:

, где: – угол поворота рамки за время t. , где -длина рамки, а r – радиус вращения.

При вращении одновитковой рамки в ней будет возникать ЭДС индукции:

		где - линейная скорость проводника

 

 

При ЭДС максимальна. .

- ЭДС изменяется по гармоническому закону. w = 2p× , где

 

	Рисунок 26. Вращение рамки

 

- частота. В России частота переменного тока равна 50 Гц.

Процесс превращения механической энергии в электрическую энергию обратим. Если в рамке, помещенной в магнитное поле, пропускать электрический ток, то возникает вращающий момент:

, где - вектор магнитного момента рамки. В результате рамка начнет вращаться и электрическая энергия превратиться в механическую энергию.

 

Вихревые токи (токи Фуко)

Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных в переменное магнитное поле. Эти токи замыкаются в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Токи Фуко подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, индуцирующему вихревые токи. Вихревые токи вызывают нагревание проводников и торможение движения массивных металлических тел. Для уменьшения потерь на нагревание массивные металлические предметы, находящиеся в переменном магнитном поле, выполняются в виде набора из тонких металлических пластин изолированных друг от друга. Эти пластины устанавливаются так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин.

Токи Фуко применяют в индукционных печах для нагрева и плавления металлов.

Вихревые токи в проводниках направлены по правилу Ленца навстречу основному току , их вызывающему (рисунок 27).

При протекании тока высокой частоты по проводнику основной переменный ток вытесняется вихревыми токами на поверхность проводника, в результате чего плотность тока в середине проводника резко уменьшается с увеличением частоты. Это явление называется скин-эффект (поверхностный эффект).

Поэтому для токов СВЧ проводники делают полыми.